關(guān)于地下實(shí)驗(yàn)室分類的討論

徐國慶

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

關(guān)于地下實(shí)驗(yàn)室分類的討論

徐國慶

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

論述了現(xiàn)有的地下實(shí)驗(yàn)室的分類，對(duì)普通地下實(shí)驗(yàn)室與特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的主要特征進(jìn)行了對(duì)比分析，論述了各國地下實(shí)驗(yàn)室的研究概況，對(duì)特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的概念進(jìn)行了討論。鑒于在現(xiàn)行的地下實(shí)驗(yàn)室分類中，對(duì)特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的定義似乎界定過寬，因?yàn)橛行┰擃愋偷牡叵聦?shí)驗(yàn)室，缺乏明確的歷史定位，最終沒有起到特定場址地下實(shí)驗(yàn)室應(yīng)起的作用。筆者建議，只有建在經(jīng)本國政府批準(zhǔn)的最終處置庫場址上的地下實(shí)驗(yàn)室，才可稱作為特定場址地下實(shí)驗(yàn)室，如美國的WIPP和ESF以及芬蘭的ONKALO。因?yàn)橹挥羞@類地下實(shí)驗(yàn)室，才能真正起到論證處置庫場址適宜性和高放廢物處置方案可行性的作用。

核廢物地質(zhì)處置；地下實(shí)驗(yàn)室；普通地下實(shí)驗(yàn)室；特定場址地下實(shí)驗(yàn)室

1 地下實(shí)驗(yàn)室分類

地下實(shí)驗(yàn)室一詞，是地下研究（或巖石）實(shí)驗(yàn)室（Underground Research（or Rock）Laboratory，URL）的簡稱，它并非僅見于核廢物地質(zhì)處置領(lǐng)域，它同時(shí)也廣泛見于礦業(yè)開采、石油和CO2儲(chǔ)存，以及與現(xiàn)代科學(xué)（特別是粒子加速器）和工程實(shí)驗(yàn)等有關(guān)的各領(lǐng)域［1-3］。不過本文僅討論與核廢物地質(zhì)處置有關(guān)的地下實(shí)驗(yàn)室。

何謂地下實(shí)驗(yàn)室？簡言之，地下實(shí)驗(yàn)室就是模擬處置庫條件而建造的地下實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施，其目的是論證處置庫場址的適宜性和高放廢物處置方案的可行性。

筆者在20世紀(jì)80年代曾根據(jù)不同的分類原則對(duì)地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過分類［4］，其中有一個(gè)分類是按地下實(shí)驗(yàn)室與處置庫關(guān)系分為單純做實(shí)驗(yàn)研究用的地下實(shí)驗(yàn)下室 （如Lac du Bonnet、Stripa等）和以后可直接發(fā)展成為處置庫的地下實(shí)驗(yàn)室，如德國的Gorleben（這是20世紀(jì)80年代的安排，以后這種安排發(fā)生變化），后來有人把前者稱為普通地下實(shí)驗(yàn)室（Generic underground research laboratory）， 后者稱為特定場址地下實(shí)驗(yàn)室（Site specific underground research laboratory）。

按IAEA表述［5］， “普通地下實(shí)驗(yàn)室是建于或開發(fā)于不考慮作為放射性廢物處置的預(yù)選場址的地方”。它可以建在：

（1）已有地下設(shè)施中，例如礦山（如Stripa、Asse、 Amélie、 Tono、 Kamaishi和 Fanay）和鐵路、 堤壩以及公路的隧道中 （如GTS、Tournemire、研究坑道、G-坑道、Climax和Mont-Terri URL）；

（2） 新開發(fā)的場址上 （如 ?sp? HRL和Lac du Bonnet URL）。

按OECD/NEA表 述［6］： 普 通 地 下實(shí)驗(yàn)室為 “在不用作廢物處置的場址上開發(fā)的旨在研究和實(shí)驗(yàn)的設(shè)施，但可為它處提供支持處置的信息”。

這兩個(gè)國際組織對(duì)普通地下實(shí)驗(yàn)室的定義總體上是一致的，即普通地下實(shí)驗(yàn)室是建在今后不作為處置庫場址上的地下實(shí)驗(yàn)室。

按IAEA表述［5］， “特定場址地下實(shí)驗(yàn)室被定義為位于深部處置庫系統(tǒng)的特定 （但不一定是預(yù)選的）場址，同時(shí)考慮到預(yù)選圍巖建造情況 （如 HADES-URF、Gorleben、 Konrad、Yucca Mountain-ESF 和 Bure URL）”。

按OECD/NEA 表 述［6］： 特 定 場 址 地下實(shí)驗(yàn)室是 “建于作為廢物處置預(yù)選址上的設(shè)施，其實(shí)它可能是場址上處置庫開發(fā)的先驅(qū)部分”。

由上可見，所謂普通地下實(shí)驗(yàn)室，就是不建在預(yù)選場址（Potential site）上的地下實(shí)驗(yàn)室，而建在預(yù)選場址上或最終場址上的地下實(shí)驗(yàn)室皆稱為特定場址地下實(shí)驗(yàn)室。

雖然普通地下實(shí)驗(yàn)室的選址工作具有很大的機(jī)動(dòng)性和靈活性，但它也不是任意選定的，下列條件在普通地下實(shí)驗(yàn)室選址時(shí)也應(yīng)考慮：

（1）所選場址與所設(shè)想的處置庫場址在地質(zhì)條件上具有類比性，特別在巖性上具有類比性。如瑞典的?sp?地下實(shí)驗(yàn)室和加拿大的Lac du Bonnet地下實(shí)驗(yàn)室都建在花崗巖中，因?yàn)檫@兩個(gè)國家都把花崗巖選定為處置庫圍巖。

（2）所選場址與所設(shè)想的處置庫場址在自然環(huán)境方面具有相似性，特別在地貌和氣候方面。因?yàn)榍罢哂绊懙叵聦?shí)驗(yàn)室入口工程的選擇（無論是平巷、斜坡坑道，還是豎井），后者影響地區(qū)的水文地質(zhì)條件和風(fēng)化殼發(fā)育的類型及其深度。

（3）盡量設(shè)在核研究中心附近，這樣便于工作和節(jié)省投資。如加拿大的Lac du Bonnet和比利時(shí)的HADES地下實(shí)驗(yàn)室，它們的地下實(shí)驗(yàn)室緊鄰其地面實(shí)驗(yàn)室。

（4）有較好的交通、水電和生活保障條件，否則這些要另行投資建設(shè)。

普通地下實(shí)驗(yàn)室在發(fā)展過程中具有下列特點(diǎn)：

（1）早期地下實(shí)驗(yàn)室研究多利用舊工程，如舊礦山、已有隧道，這樣投資少、易起步，如美國、德國、日本、瑞典和瑞士等。但隨后發(fā)現(xiàn)利用舊工程有它的局限性（如工程破壞了原始的地質(zhì)環(huán)境），因此，后建的地下實(shí)驗(yàn)室多是新開挖的，如瑞典的?sp?，日本的Mizunami和Honorobe等。

（2）從單一的實(shí)驗(yàn)到綜合性多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。早期開展的地下實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法較單一，都是進(jìn)行加熱試驗(yàn)，如1965年美國和德國當(dāng)時(shí)所做的那樣。但20世紀(jì)70年代以后，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容逐步增多，以滿足處置庫系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)收集各類參數(shù)之所需。

（3）實(shí)驗(yàn)規(guī)模越來越大。早期實(shí)驗(yàn)大都局限于地下工程的某一部分，而現(xiàn)代不少實(shí)驗(yàn)則擴(kuò)大至整個(gè)坑道，進(jìn)行全斷面的1∶1試驗(yàn)。

人們認(rèn)識(shí)到，普通地下實(shí)驗(yàn)室有自己的歷史定位，它多在高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)計(jì)劃早期的處置庫場址的預(yù)選階段進(jìn)行，而特定場址地下實(shí)驗(yàn)室則是在高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)計(jì)劃后期在確定處置庫預(yù)選場址或最終場址后進(jìn)行。如果說特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工作是處置庫建造、運(yùn)行和封閉工作的預(yù)演，那么也可以說，普通地下實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工作，是特定場址地下實(shí)驗(yàn)室研發(fā)工作的預(yù)演，前者為后者積累經(jīng)驗(yàn)，以加速后者研發(fā)工作的順利進(jìn)行。

表1為普通地下實(shí)驗(yàn)室與特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的主要特點(diǎn)對(duì)比。

2 各國地下實(shí)驗(yàn)室簡介

高放廢物地質(zhì)處置的研發(fā)工作始于1957年［7］，而地下實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工作始于 1965年［8］，這說明地下實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工作至今已有45年歷史，積累了不少理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，IAEA和OECD/NEA曾多次召開專家咨詢會(huì)總結(jié)這方面的經(jīng)驗(yàn)，以指導(dǎo)今后地下實(shí)驗(yàn)室研發(fā)工作的進(jìn)行［6-7］。表2所列42個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室資料，主要來自文獻(xiàn)［5-7］，部分來自網(wǎng)上資料。這些地下實(shí)驗(yàn)室有的在建，有的正在運(yùn)行，有的已經(jīng)關(guān)閉，也有的只開展場址研究工作，而最后未建成。

1999年Andersson曾統(tǒng)計(jì)過，一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室的建造成本需耗資1億歐元左右［6］。國內(nèi)也有人估算過，建造一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室約需5.2億人民幣（未含運(yùn)行維修費(fèi)）［9］。 但不明確的是，在這些估算中是否包括地下實(shí)驗(yàn)室研發(fā)所需的各種儀器設(shè)備的購置費(fèi)和運(yùn)行所需的各種設(shè)備購置費(fèi)？是否包括場址外圍水電和交通配套設(shè)施的費(fèi)用？如果未考慮這些，再加上運(yùn)行和維修費(fèi)，則所需資金要遠(yuǎn)大于此數(shù)，所以在決策建造地下實(shí)驗(yàn)室問題時(shí)需慎重。

表1 普通地下實(shí)驗(yàn)室與特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的主要特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of main features between generic and site specific underground research laboratories

3 關(guān)于地下實(shí)驗(yàn)室分類的討論

現(xiàn)在國內(nèi)即將開展新一輪地下實(shí)驗(yàn)室選址工作，現(xiàn)就特定場址地下實(shí)驗(yàn)室定義問題進(jìn)行一些討論，以供業(yè)界參考。

按IAEA分類，屬于特定地下實(shí)驗(yàn)室的有：HADES、 Bure、 Goleben、 Konrad、 Morsleben、

ESF、WIPP 和 RCF［5］；而按 OECD/NEA 分類，屬于特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的有：ONKALO、Bure、 Goleben、 Konrad、 Morsleben、 佩 奇（Pécs）、 WIPP 和 ESF［6］。 IAEA 未 把OECD/NEA分類中的ONKALO和佩奇列入其中，OECD/NEA則未把IAEA分類中的HADES和RCF列入其中，這說明兩個(gè)國際組織在對(duì)待特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)識(shí)上還是有些不同。

表2 地下實(shí)驗(yàn)室一覽表［5-7］Table 2 List of underground research laboratories［5-7］

續(xù)表2

續(xù)表2

按照IAEA特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的定義，可以理解為一個(gè)國家可有多個(gè)特定場址地下實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)樘幹脦熳罱K場址是經(jīng)過幾個(gè)預(yù)選場址對(duì)比研究后確定的。這樣，有些原建在預(yù)選場地上的特定場址地下實(shí)驗(yàn)室，由于對(duì)比研究后不被批準(zhǔn)為正式場址，因而就起不到特定場址地下實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有的作用，而有“蛻變”為普通地下實(shí)驗(yàn)室的可能。當(dāng)然，也有這樣一種可能，那就是現(xiàn)在的普通地下實(shí)驗(yàn)室，其所建場地也有可能經(jīng)過以后對(duì)比研究后，被確認(rèn)為正式場址，如果是這樣，則原來的普通地下實(shí)驗(yàn)室有可能被 “升級(jí)”為特定場址地下實(shí)驗(yàn)室。因此，IAEA這個(gè)特定場址地下實(shí)驗(yàn)室定義，對(duì)有些特定場址地下實(shí)驗(yàn)室來說，具有歷史地位上的不確定性，它們不能完成特定場址地下實(shí)驗(yàn)室所賦予的特殊歷史使命。如英國的塞拉菲爾德（1997年已終止場址特性評(píng)價(jià)工作，表2）和德國的Gorleben（它于1977被選定為高放廢物處置庫場址，后因政治原因，于2001年終止工作，至今它能否作為處置庫場址，仍在爭論之中）等就是這類例證。因此，這種普通地下實(shí)驗(yàn)室與特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的概念，在某種程度上，具有相對(duì)性。按IAEA的地下實(shí)驗(yàn)室分類原則，屬特定場址的地下實(shí)驗(yàn)室為數(shù)也不少，但實(shí)際上真正能起到特定場址地下實(shí)驗(yàn)室作用的，目前就筆者所知只有3個(gè)：①美國的WIPP（軍用超鈾廢物和混合超鈾廢物處置庫，有8個(gè)處置單元，其中第一個(gè)處置單元就是特定場址地下實(shí)驗(yàn)室，該處置庫已于1999年3月26日開始運(yùn)行）；②ESF（地處尤卡山，該地于2002年被政府批準(zhǔn)為處置庫正式場址，計(jì)劃在2018年建成，但在2009年美國聯(lián)邦預(yù)算提案中并未向該場址撥款，只給了核管會(huì)（NRC）有關(guān)申請(qǐng)?zhí)幹脦旖ㄔ斓囊恍┱{(diào)查費(fèi)）；③芬蘭的ONKALO（芬蘭政府于2001年確定Olkiluoto為處置庫場址，并計(jì)劃在2020建成處置庫）。因?yàn)槌鲜?個(gè)場址和瑞典正在待政府審批的Forsmark場址①外，其他各國的處置庫場址至今尚未被政府所確認(rèn)，包括比利時(shí)的Mol地區(qū)。因此，有些現(xiàn)在界定的特定場址地下實(shí)驗(yàn)室，以后是否還會(huì)“蛻變”成普通地下實(shí)驗(yàn)室或引起其他什么別的變化，這在目前尚難定論。因?yàn)樘幹脦爝x址問題，不僅取決于自然因素，同時(shí)還受社會(huì)因素和政治因素所制約。如OECD/NEA 2001年認(rèn)為世界上第一個(gè)特定場址地下實(shí)驗(yàn)室的德國Konrad，現(xiàn)在的處境與Gorleben相似。因此，筆者認(rèn)為，只有建在經(jīng)政府批準(zhǔn)的處置庫最終場址上的地下實(shí)驗(yàn)室，才是真正的特定場址地下實(shí)驗(yàn)室，也只有這種地下實(shí)驗(yàn)室，才有可能起到確認(rèn)最終處置庫場址和論證高放廢物處置方案可行性的作用，才能提供處置庫設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行等所需的和近乎處置庫現(xiàn)場實(shí)際的各類資料。

地下實(shí)驗(yàn)室研究至今已有45 a歷史，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，它是高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)過程中必不可少的一個(gè)重要研發(fā)階段。如果沒有這個(gè)階段，處置庫場址就無法被最終確認(rèn)，后續(xù)的處置庫建造也就無法進(jìn)行。普通地下實(shí)驗(yàn)室與特定場址地下實(shí)驗(yàn)室具有不同的歷史定位和不同的歷史使命。何時(shí)開展何種類型地下實(shí)驗(yàn)室研發(fā)工作，應(yīng)根據(jù)各國高放廢物地質(zhì)處置研發(fā)的進(jìn)展情況而定，同時(shí)，由于建造地下實(shí)驗(yàn)室投資較大，因此也需要國家有足夠的資金來支撐。

注：①2009年6月SKB已正式宣布它為推薦場址，2010年向瑞典輻射安全機(jī)構(gòu)和環(huán)境法院提交環(huán)境評(píng)價(jià)報(bào)告和安全分析報(bào)告，擬申請(qǐng)建造處置庫許可證，SKB準(zhǔn)備于2013年建造地下實(shí)驗(yàn)室，2015年開始建造處置庫，2023年處置庫運(yùn)行。

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［2］Drek Elswoth， Peter Smeallie， Francois Heuze.Deep underground science and engineering laboratories（DUSELs）［R］. Alexandria： American Rock Mechanics Association，2003.

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［4］ 徐國慶，樓鳳升.國外地下實(shí)驗(yàn)室情況調(diào)研和我國建立地下實(shí)驗(yàn)室必要性的初步探討［R］.北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，1986-1987：115-119.

［5］IAEA.The use of scientific and technical results from underground research laboratory investigations for the geological disposal of radioactive waste［R］.Vienna： InternationalAtomic Energy Agency，2001.IAEA-TECDOC-1243.

［6］OECD/NEA.The role of underground laboratories in nuclear waste disposalprogrammes［R］.Paris：Organization for Economic Co-operation and Development/Nuclear Energy Agency，2001.

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［9］ 羅嗣海，楊春和，李廷君，等.處置工程與地下實(shí)驗(yàn)室（地下實(shí)驗(yàn)室部分）［C］//潘自強(qiáng)，錢七虎.高放廢物地質(zhì)處置戰(zhàn)略研究 （中國工程咨詢項(xiàng)目）.北京：原子能出版社，2009：231-268.

［10］徐國慶，李永利，梁秀珍，等.北京地區(qū)地下實(shí)驗(yàn)室場地預(yù)選［C］//王 駒，范顯華，徐國慶，等.中國高放廢物地質(zhì)處置十年進(jìn)展.北京：原子能出版社，2004:454-468.

［11］Faculty of Civil Engineering， Czech Technical University in Prague.Underground educational facility JOSEF［EB/OL］. ［2010-05-10］.http： //www.uef-josef.eu.

Discussion on classification of underground research laboratory

XU Guo-qing
（Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

The classification of underground research laboratory，a comparison of main features between generic and site specific underground research laboratories，an overview of research on underground research laboratory，and a review of site specific underground research laboratory are given in this paper.It is noteworthy that the site specific underground research laboratory is probably not well-defined and hence some of them have no clear fixed historical position，and finally they do not play an important specific role for this kind of underground research laboratory.It is suggested that the site specific underground research laboratory may be defined as follows:it is constructed at the final repository site approved by the government， such as WIPP and ESF in U.S.A.， and ONKALO in Finland， because only this kind of underground research laboratory can really play an important role for validation of suitability of repository site and feasibility of disposal concept of high level radioactive waste.

geological disposal of radioactive waste； underground research laboratory； generic underground research laboratory；site specific underground research laboratory

A

1672-0636（2010）03-0170-08

10.3969/j.issn.1672-0636.2010.03.010

2010-05-14

徐國慶（1932—），男，浙江舟山人，高級(jí)工程師（研究員級(jí)），主要從事鈾礦地質(zhì)包體及核廢物處置研究工作。E-mail：xuguoqing@126.com